Citologia cellule vegetali

Com'è fatta una cellula vegetale?

Le piante, ma tutti gli organismi viventi, possono essere studiati a più livelli: a livello ecosistemico, oppure a livello di singolo individuo, oppure di singolo tessuto, di singola cellula o di singolo organello.

Infatti la botanica raggruppa tutta una serie di scienze che studiano gli organismi vegetali con nomi differenti:

• Che studia come le piante si relazionano tra di loro, con l’ambiente e con gli animali Ecologia vegetale
• Che studia come le diverse specie vegetali sono distribuite nei diversi continenti e regioni Fitogeografia
• Che si occupa di catalogare diversi organismi vegetali all'interno dei taxa Botanica sistematica (gruppi)
• Che studia i referti fossili di tipo botanico da cui poi si possono ricostruire parti della storia Paleobotanica

Botanica sistematica e Paleobotanica lavorano a livello di individuo o di specie.

• Studia quali sono i diversi tessuti che costituiscono i vari organi Anatomia vegetale
• Che studia come funziona la pianta, tutti i processi ecc. Fisiologia vegetale
• Che si occupa di quello che è la struttura delle singole cellule. Citologia vegetale

Per studiare le cellule lo strumento più utilizzato è il microscopio. La cellula vegetale è al limite della visione ad occhio nudo; ci stanno però alcune cellule vegetali grosse che quasi si possono vedere ad occhio nudo.

Le cellule animali sono più piccole e questo fa capire che la cellula, per la prima volta, è stata osservata nelle piante e i primi citologi erano quasi tutti botanici. Quando vengono sviluppati i microscopi si può arrivare a vedere alcuni organuli cellulari mentre invece non si possono andare a vedere strutture molecolari.

I primi citologi quindi erano tutti botanici poiché le cellule vegetali erano grandi ed erano più grandi da osservare. Uno dei più grandi botanici, Edmund Beecher Wilson, scrisse un libro "The Cell in Development and Heredity” dove scrisse questa frase "già da molto tempo è evidente che la chiave di ogni problema biologico alla fine deve essere vista nella cellula"; quindi noi possiamo capire gran parte dei problemi che ha un essere biologico andando a studiare la cellula, ciò è valido non solo nelle piante ma anche negli animali.

Come sappiamo tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule. Sia le alghe microscopiche che gli organismi più grandi vegetali che si conoscono sono costituiti da cellule vegetali. Se gli organismi sono costituiti da una sola cellula quella cellula ovviamente deve svolgere tutte le funzioni di quell’organismo, così come se gli organismi sono pluricellulari ma sono Tallofite la maggior parte delle cellule (quindi le cellule non si sono differenziate) svolgono tutte le funzioni dell’organismo e quindi devono assorbire l’acqua, devono sintetizzare, devono espellere sostanze che non servono, devono nutrirsi, respirare, riprodursi, ecc.

Invece negli organismi pluricellulari dove si ha un grado elevato di differenziamento le cellule si specializzano a fare una o poche funzioni; più cellule specializzate si organizzano a formare dei tessuti. Questi tessuti sono delle vere e proprio cooperative di cellule che svolgeranno una particolare funzione. Questi tessuti a loro volta si organizzano a formare degli organi che hanno anche loro delle funzioni specializzate.

Ovviamente l'organizzazione corretta di tutte queste parti (cellule, tessuti, organi) è fondamentale per la vita dell'organismo stesso. Certe volte insorgono delle mutazioni che, alterando alcune di queste interazioni tra cellule, tessuti o organi, rendono quella pianta o totalmente incapace di vivere oppure possono creare dei problemi molto seri alla sua sopravvivenza.

La cellula vegetale

Le cellule sono state scoperte nel 1665 dal fisico Robert Hooke. I fisici erano quelli che sapevano costruire lenti e proprio con queste lenti iniziarono ad osservare delle cose della natura. Una delle prime cose che Hooke osservò erano delle sottili sezioni di sughero che disegnò fedelmente. Vide che le sottili sezioni di sughero presentavano tante piccole cellette e subito questa disposizione a celle fece ricordare a Robert le stanze dove i monaci vivevano e allora decise di chiamare queste strutture cellule (in latino piccola stanza). Quello che lui in realtà stava osservando erano le cellule del sughero ma il sughero è un tessuto che a maturità è morto. Quindi ciò che osservava erano cellule morte e di esse vedeva solo la parete esterna perché le cellule vegetali sono rivestite, esternamente alla membrana, da una parete rigida che è l'unico compartimento cellulare che rimane dopo che esse muoiono.

Giorgia Arcadi

Successivamente anche altri studiosi iniziarono ad osservare con questi microscopi materiali di vario tipo. Nel 1673, per esempio, Antoni van Leeuwer veniva invitato nelle corti e mostrava alle persone le cose che osservava al microscopio; faceva vedere le cose più assurde come materiale vegetale, tartaro dei denti, iniziò ad osservare anche il sangue e vide i globuli rossi, le acque stagnanti nelle quali vide che ci sono degli organismi che si muovono, vede per la prima volta gli spermatozoi che considerava animaluncoli.

Un passo successivo fu fatto nel 1830 quando Theodor Schwann guardò la cartilagine degli animali e scoprì che anche essa erano formata da cellette e iniziò a ipotizzare che le cellule sono gli elementi costitutivi fondamentali di piante e animali. Contemporaneamente nel 1839 Matthias Schleiden arriva alle stesse conclusioni; inizia a capire che queste cellule non erano una prerogativa del sughero ma anche degli organismi viventi.

Nel 1860 Rudolf Virchow afferma che le cellule sono le unità vitali degli esseri viventi aggiungendo anche che ogni cellula deriva da un'altra cellula. Tutti questi studi di microscopia e le varie osservazioni effettuate permettono di formulare la teoria cellulare che ha 3 principi fondamentali:

• Tutti i viventi sono formati da una o più cellule
• Le cellule sono le unità fondamentali di tutti gli organismi viventi
• Tutte le cellule derivano da altre cellule

Perché le cellule sono piccole?

La prima ragione è che se la cellula aumenta notevolmente la sua superficie contemporaneamente aumenta il suo volume interno. In poche parole l'aumento della superficie non è proporzionale a quello del volume.

Il rapporto superficie/volume è importante perché permette di capire quanto una cellula può scambiare con l'ambiente esterno. Se la cellula ha un ridotto rapporto superficie/volume, quindi ha un enorme volume interno ma ha poca possibilità di scambiare con l'ambiente esterno e ciò lo deve fare per assorbire nutrienti ma deve anche espellere quelle sostanze tossiche che produce. Quindi un aumento di superficie determina una maggiore possibilità di scambi con l’esterno, mentre un maggiore volume corrisponde ad un aumento di necessità della cellula. Via via che la cellula diventa grande non riesce più a scambiare sufficientemente con l’ambiente esterno.

Infatti gli organismi unicellulari molto grossi hanno risolto il problema andando a diventare molto piatti in modo da minimizzare il volume a favore della superficie di scambio. Una cellula molto grande non riuscirebbe a scambiare efficientemente con l’ambiente esterno e non riuscirebbe neanche a regolare la propria omeostasi. Quindi una cellula molto grande morirebbe perché non può smaltire i rifiuti e non può nutrirsi. Per risolvere questo problema alcune membrane iniziano a ripiegarsi su se stesse formando ad esempio delle creste (cr. mito.).

Ci sono cellule con morfologie molto differenti tra loro. Per esempio la famosa alga killer “Caulerpa taxifolia” è costituita da un’unica cellula plurinucleata ma sviluppa un’enorme superficie. Le dimensioni della cellula non hanno niente a che vedere con le dimensioni dell'individuo; ciò che cambia tra un organismo grande e uno piccolo è il numero delle cellule.

Le cellule possono essere distinte in cellule:

• Procariote (pro carion) significa prima del nucleo. Le cellule procarioti mancano sia del nucleo che di tutti i sistemi di endomembrane interni, quindi non hanno organelli, hanno solo la membrana plasmatica, possono avere la parete di tipo batterico, grampositiva e gramnegativa. Procarioti à
• Eucariote (eu carion) significa vero nucleo. Le cellule eucariote hanno invece il nucleo, un sistema di membrane interne sviluppato che delimita molto spesso degli organelli cellulari funzionalmente specializzati. Eucarioti à

Giorgia Arcadi

Cellula procariota

Una tipica cellula procariota è per esempio il Batterio. Esso può avere delle strutture di movimento come flagelli e ciglia, presenta una membrana plasmatica e presenta una parete molto diversa da quella delle piante perché è di tipo batterico. Queste cellule possono essere avvolte da capsule di varia natura (molto spesso mucillagenosa) e all'interno presentano il materiale genetico libero, quindi non racchiuso nel nucleo ma disperso nel citoplasma. Nel citoplasma si trovano i ribosomi, importanti per la sintesi proteica, e poi si possono avere dei pili con funzione di movimento oppure dei pili specializzati.

Tipiche cellule procariote vegetali sono i Cianobatteri che sono le uniche cellule procariote studiate in botanica. Oltre a questi ci sono anche gli Archeobatteri ed Eubatteri e tutti questi organismi procarioti fanno parte del Regno delle Monere. Si tratta di singole cellule delimitate da membrana plasmatica che può presentare delle invaginazioni per aumentare la superficie di scambio, sono prive di qualsiasi altro organulo, fatta eccezione dei ribosomi perché devono fare la sintesi proteica.

Sono di piccole dimensioni tanto che sono al limite della visione al microscopio ottico. Svolgono una serie di funzioni cellulari che sono effettuate da una serie di complessi enzimatici molto simili a quelli delle cellule eucariotiche ma che invece di essere compartimentalizzati nei diversi organelli si trovano nel citosol oppure sulla membrana plasmatica. Il materiale genetico molto spesso è costituito da DNA circolare (in alcuni casi lineare) e non è racchiuso nel nucleo ma molto spesso è condensato in una regione del citoplasma detta nucleoide.

I Cianobatteri sono procarioti autotrofi azotofissatori cioè rendono disponibile l'azoto presente nell'atmosfera per le piante. Presentano una membrana plasmatica che forma delle invaginazioni che si dispongono in modo concentrico nella cellula e formano le cosiddette membrane tiracoidali. Immerse nelle membrane tiracoidali ci sta la clorofilla a (presente in tutti gli organismi fotosintetizzanti) insieme ad altri pigmenti che sono ficobiline (ficocianina) e tutti questi pigmenti sono formati a formare i ficobilisomi (strutture che permettono la fotosintesi).

Presentano una parete di tipo batterico gramnegativo, quindi hanno una parete interna ed una esterna, e queste 2 membrane contengono in mezzo uno strato di peptidoglicano.

Altra differenza è che come sostanza di riserva accumulano glicogeno e non amido; il glicogeno è un polimero sempre formato da glucosio che è il tipico polimero di riserva che si trova nei muscoli dell'uomo, dei mammiferi.

Sono organismi coloniali cioè formano colonie molto spesso filamentose e al loro interno possono esserci delle cellule che si specializzano. Per esempio ci sono l’eterocisti e gli acineti che sono specializzati nella fissazione dell'azoto o che funzionano da strutture di resistenza, cioè formano una parete molto più spessa e possono rimanere in quiescenza quando le condizioni ambientali non permettono a queste cellule di vivere. Riprenderanno poi a vivere nel momento in cui le condizioni ambientali ritornano ottimali.

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Cellula eucariota

Le cellule eucariotiche si trovano in tutti gli altri organismi che non fanno parte del Regno delle Monere quindi Protisti, Protozoi, le piante superiori, i Funghi, le Briofite, ecc. Nelle piante queste cellule possono avere delle dimensioni molto grandi. La principale differenza, dalle cellule procariote, è che presentano il nucleo al cui interno è racchiuso il materiale genetico.

Il nucleo presenta una doppia membrana, una interna ed una esterna in comunicazione fra di loro attraverso i pori nucleari. Forma un organulo che è in continuità con il RE attraverso le costrizioni. Oltre al nucleo queste cellule presentano diversi organelli: lisosomi, RE, mitocondri, l’apparato di Golgi, centrioli, ecc e tutti questi organelli sono immersi nel citoplasma e ognuno svolge una funzione specializzata. Non necessariamente tutte le cellule devono presentare tutti gli organelli; alcune mancano del nucleo altri presentano più nuclei, altre hanno delle strutture che permettono la mobilità.

Eucarioti: cellula vegetale

Nella cellula vegetale ci sono alcuni compartimenti e organelli in più: c'è sempre il nucleo, RE sia liscio che rugoso, i mitocondri, l'apparato del Golgi. Però oltre a questi organelli comuni alle cellule animali ci stanno alcuni organelli peculiari: i plastidi che possono essere in numerosi, i vacuoli e poi un compartimento esterno che è la parete cellulare. Poi ci sono anche altri organelli peculiari della cellula vegetale che sono i perossisomi che in alcune cellule sono detti gliossisomi.

Altra caratteristica è che la parete si estende intorno alla membrana plasmatica e la contiene. Le pareti di 2 cellule adiacenti sono a contatto fra di loro e sono unite da delle perforazioni nella parete rivestite di membrana, quindi dei ponti citoplasmatici, detti plasmodesmi. Grazie alla presenza di questi ponti tutti i citoplasmi delle cellule vegetali sono interconessi fra di loro nello stesso individuo e questa unione dei citoplasmi è detta simplasto. Il simplasto fa da contorno ad un altro spazio esterno alle cellule (cioè quello costituito da tutte le pareti e da tutti gli spazi tra una cellula e l’altra) che è detto apoplasto (spazio esterno a tutte le cellule di un individuo).

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Le diverse cellule sono delimitate da una membrana plasmatica, lipidica e semipermeabile, detta anche plasmalemma che essendo semipermeabile costituisce una barriera alla diffusione di tante sostanze solubili in acqua. Quindi i diversi soluti per poter entrare nel simplasto devono attraversare la membrana plasmatica che fungerà da barriera e permetterà di decidere ciò che deve entrare da ciò che non deve entrare.

Anche gli organelli interni sono delimitati da una o più membrane che però sono differenti da quella plasmatica poiché si sono specializzate a svolgere particolari funzioni. Non solo, anche nello stesso organello quando sono presenti 2 diverse membrane, molto spesso, sono differenti funzionalmente. Per esempio la membrana esterna dei mitocondri è molto più permeabile di quella interna che si organizza a formare le creste mitocondriali e su queste creste ci sono le catene di trasporto elettronico.

Tutti questi organelli sono immersi nel citoplasma e il citoplasma è formato da una sostanza gelatinosa, più o meno liquida, che supporta tutti gli organelli detta citosol.

Schema riassuntivo organelli cellule animali, vegetali e procarioti

Differenza importante tra cellula animale e vegetale è che nella cellula animale sono presenti i centrioli mentre nella vegetale no. Ciò è importante perché i centrioli servono per l’organizzazione del fuso mitotico. Il fuso mitotico, nelle cellule vegetali, si organizzerà da altri centri di organizzazione microtubulare che si troveranno sulla membrana nucleare.

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Ciclo cellulare cellule vegetali

Le cellule vegetali vanno incontro ad un processo di citodieresi e considerato che sono in grado di dividersi sono delle cellule embrionali. Vuol dire che le cellule adulte nel momento in cui si sono differenziate in un tessuto adulto non sono, di solito, più in grado di dividersi. Nelle cellule vegetali, però, anche le cellule adulte possono riacquisire la capacità di dividersi.

In generale le cellule che si dividono sono embrionali cioè sono cellule giovanili indifferenziate che costituiscono un tessuto detto meristematico. Queste cellule andranno incontro ad un accrescimento embrionale, poiché nel momento in cui la cellula madre si divide in 2 cellule figlie è ovvio che le cellule figlie sono più piccole della madre. Quindi queste cellule figlie vanno ad accrescersi per riacquisire le dimensioni della cellula madre. Una volta raggiunte queste dimensioni potranno tornare a dividersi rimanendo sempre cellule meristematiche.

Il ciclo cellulare è costituito da più fasi:

• Fase G1 à dove le cellule dopo la divisione vanno incontro all’accrescimento embrionale e quindi sintetizzano materiali, in particolare nuove membrane, citosol. Questa fase è quella che riporterà al ripristino delle dimensioni delle 2 cellule figlie fino a diventare di dimensioni normali. Una volta raggiunte le dimensioni normali inizia la preparazione alla nuova divisione; quindi si ha la fase S.
• Fase S à in cui si ha la duplicazione del materiale genetico.
• Fase G2 à in cui la cellula si prepara alla fase vera e propria di mitosi.
• Cioè